_ Studiul clarifică o cheie întrebare în fizica particulelor despre momentul magnetic al muonului

Momentul magnetic este o proprietate intrinsecă a unei particule cu spin, care decurge din interacțiunea dintre particulă și un magnet sau alt obiect cu un câmp magnetic. La fel ca masa și sarcina electrică, momentul magnetic este una dintre mărimile fundamentale ale fizicii.

Există o diferență între valoarea teoretică a momentului magnetic al unui muon, o particulă care aparține aceleiași clase ca și electron, și valorile obținute în experimentele de înaltă energie efectuate în acceleratoare de particule. Diferența apare doar la a opta zecimală, dar oamenii de știință au fost intrigați de ea de când a fost descoperită în 1948.

Nu este un detaliu: poate indica dacă muonul interacționează cu particulele de materie întunecată sau cu alte bosonii Higgs sau chiar dacă forțe necunoscute sunt implicate în proces.

Valoarea teoretică a momentului magnetic al muonului, reprezentată de litera g, este dată de ecuația lui Dirac – formulată de fizicianul englez și Premiul Nobel din 1933. câștigătorul Paulo Dirac (1902-1984), unul dintre fondatorii mecanicii cuantice și ai electrodinamicii cuantice — ca 2. Cu toate acestea, experimentele au arătat că g nu este exact 2 și există un mare interes pentru înțelegerea „g-2” , adică diferența dintre valoarea experimentală și valoarea prezisă de ecuația lui Dirac.

Cea mai bună valoare experimentală disponibilă în prezent, obținută la un grad impresionant de precizie la Laboratorul Național de Accelerator Fermi din Statele Unite și anunțat în august 2023, este 2,00116592059, cu un interval de incertitudine de plus sau minus 0,00000000022. Informații despre Experimentul Muon G-2 desfășurat la Fermilab pot fi găsite la: muon-g-2.fnal.gov/.

„Determinarea precisă a momentului magnetic al muonului a devenit o problemă cheie în fizica particulelor. deoarece investigarea acestui decalaj între datele experimentale și predicția teoretică poate oferi informații care ar putea duce la descoperirea unui efect nou spectaculos”, fizicianul Diogo Boito, profesor la Institutul de Fizică São Carlos din Universitatea din São Paulo (IFSC-USP). ), a declarat Agência FAPESP.

Un articol pe acest subiect al lui Boito și al colaboratorilor este publicat în revista Physical Review Letters.

„Rezultatele noastre au fost prezentate la două evenimente internaționale importante. Mai întâi de mine în timpul unui atelier la Madrid, Spania, și mai târziu de colegul meu Maarten Golterman de la Universitatea de Stat din San Francisco, la o întâlnire la Berna, Elveția”, a spus Boito.

Aceste rezultate cuantifică și indică originea o discrepanță între cele două metode utilizate pentru a face predicții curente ale muonului g-2.

„Există în prezent două metode pentru determinarea unei componente fundamentale a g-2. Primul se bazează pe date experimentale, iar al doilea pe simulări computerizate ale cromodinamicii cuantice, sau QCD, teoria care studiază interacțiunile puternice dintre quarci. Aceste două metode produc rezultate destul de diferite, ceea ce este o problemă majoră. Până nu se rezolvă, nu putem investiga contribuțiile posibilelor particule exotice, cum ar fi noii bosoni Higgs sau materia întunecată, de exemplu, la g-2”, a explicat el.

Studiul a reușit să explice discrepanța. , dar pentru a-l înțelege trebuie să facem câțiva pași înapoi și să începem din nou cu o descriere ceva mai detaliată a muonului.

Muonul este o particulă care aparține clasei leptonilor, la fel ca și electronul. , dar are o masă mult mai mare.Din acest motiv, este instabil și supraviețuiește doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp într-un context de înaltă energie.Când muonii interacționează între ei în prezența unui câmp magnetic, ei se descompun și se regrupează ca un nor de alte particule, cum ar fi electroni, pozitroni, bosoni W și Z, bosoni Higgs și fotoni.

În experimente, muonii sunt, prin urmare, întotdeauna însoțiți de multe alte particule virtuale. Contribuțiile lor fac ca momentul magnetic real măsurat în experimente să fie mai mare decât momentul magnetic teoretic calculat prin ecuația lui Dirac, care este egal cu 2.

„Pentru a obține diferența [g-2], este necesar să se ia în considerare toate aceste contribuții — atât cele prezise de QCD [în modelul standard al fizicii particulelor], cât și altele care sunt mai mici, dar apar în măsurători experimentale de înaltă precizie. Cunoaștem foarte bine câteva dintre aceste contribuții, dar nu toate", a spus Boito. .

Efectele interacțiunii puternice QCD nu pot fi calculate singur teoretic, deoarece în unele regimuri energetice, ele sunt impracticabile, deci există două posibilități. Unul este folosit de ceva timp și presupune recurgerea la datele experimentale obținute din ciocnirile electron-pozitron, care creează alte particule formate din quarci. Celălalt este lattice QCD, care a devenit competitiv abia în deceniul actual și presupune simularea procesului teoretic într-un supercomputer.

„Principala problemă cu prezicerea muonului g-2 în acest moment este că rezultatul obținut folosind date. de la ciocnirile electron-pozitroni nu este de acord cu rezultatul experimental total, în timp ce rezultatele bazate pe QCD reticulat sunt de acord. Nimeni nu era sigur de ce, iar studiul nostru clarifică o parte din acest puzzle", a spus Boito.

El și colegii săi și-au efectuat cercetările exact pentru a rezolva această problemă. „Articolul raportează concluziile unui număr de studii în care am dezvoltat o metodă nouă pentru a compara rezultatele simulărilor QCD cu zăbrele cu rezultatele bazate pe date experimentale. Arătăm că este posibil să extragem din datele contribuțiilor care sunt calculate în zăbrele cu mare precizie — contribuțiile așa-numitelor diagrame Feynman conectate”, a spus el.

Fizicianul teoretician american Richard Feynman (1918-1988) a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 1965 (cu Julian Schwinger și Shin' ichiro Tomonaga) pentru lucrări fundamentale în electrodinamica cuantică și fizica particulelor elementare. Diagramele Feynman, create în 1948, sunt reprezentări grafice ale expresiilor matematice care descriu interacțiunea unor astfel de particule și sunt folosite pentru a simplifica calculele respective.

„În studiu, am obținut contribuțiile diagramelor Feynman conectate. în așa-numita „fereastră de energie intermediară” cu mare precizie pentru prima dată. Astăzi, avem opt rezultate pentru aceste contribuții, obținute prin simulări QCD cu rețea, și toate sunt de acord într-o măsură semnificativă. Mai mult, arătăm că rezultatele bazate pe datele de interacțiune electron-pozitron nu sunt de acord cu aceste opt rezultate ale simulărilor”, a spus Boito.

Acest lucru le-a permis cercetătorilor să găsească sursa problemei și să se gândească la posibile soluții. „A devenit clar că, dacă datele experimentale pentru canalul cu doi pioni sunt subestimate dintr-un anumit motiv, aceasta ar putea fi cauza discrepanței”, a spus el. Pionii sunt mezoni — particule formate dintr-un quark și un antiquarc produse în ciocniri cu energie înaltă.

De fapt, date noi (încă în curs de revizuire de către colegi) din experimentul CMD-3 desfășurat la Universitatea de Stat din Novosibirsk în Rusia pare să arate că cele mai vechi date de canal cu doi pioni ar fi putut fi subestimate din anumite motive.

(Fluierul)